基于二維材料的范德瓦爾斯界面在光電子器件領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景，不同材料組成的界面可以在很大程度上調(diào)控器件的發(fā)光光譜范圍。然而，層間堆疊方式不同帶來的晶格失配以及錯位都會YZ電子與聲子耦合作用，影響光電器件的工作效率。近期，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的的Alberto F. Morpurgo?教授課題組在《自然-材料》雜志上發(fā)表了低溫光致發(fā)光光譜研究設(shè)計范德瓦爾斯界面的工作。通過組合導(dǎo)帶底部與價帶頂部都在Γ點（倒格矢空間）的二維晶體材料，形成范德瓦爾斯界面，避免了動量失配。這樣的范德瓦爾斯界面將不受光學(xué)躍遷與晶格常數(shù)、兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響，為基于二維原子晶體的光電子器件的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)。

       雙層或者多層過渡金屬硫化物（例如WS₂，MoS₂, MoSe₂ ）的價帶頂部在Γ點，可以與導(dǎo)帶底部在Γ點的多層InSe材料形成范德瓦爾斯界面，該界面允許直接躍遷。通過分析光致發(fā)光光譜（PL光譜）對雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的測量結(jié)果（見圖1），可以判定雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷存在且能量為1.55eV。

圖1. (a)雙層InSe與雙層WS₂的結(jié)構(gòu)示意圖。 (b)雙層InSe與雙層WS₂的能帶圖。(c）溫度5K時雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的光致發(fā)光光譜， 內(nèi)置圖：2L-InSe/2L-WS₂光學(xué)照片。比例尺：10微米。

       通過分析發(fā)光光譜隨溫度變化的數(shù)據(jù)（圖2a-b），研究者發(fā)現(xiàn)雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷發(fā)光光譜隨溫度降低強度增加。該界面發(fā)光光譜隨激光強度增加的變化（圖2c）也表明其發(fā)光機制是直接躍遷。圖2d為6層InSe與雙層WS₂界面切面SEM電鏡圖。通過分析該6層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的切面發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)（圖2e）可直接證實該界面是直接躍遷的機制。

圖2. (a-b): 雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜隨溫度變化數(shù)據(jù)圖。(c):光譜隨激發(fā)激光強度的變化。(d):6層InSe與雙層WS₂界面切面的SEM電鏡圖。（e）6層InSe與雙層WS₂界面切面處發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)圖。

       研究者也分析了多層InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜（圖3a-b）以及四層InSe與多層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜。綜合分析以上不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面PL光譜的能帶圖以及實驗數(shù)據(jù)，表明該不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面未受到兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響而存在層間發(fā)光光譜。

圖3.  (a) 多層InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜數(shù)據(jù)，溫度為5K。(b): InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜能量與InSe層數(shù)關(guān)系圖。(c): 四層InSe與多層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜能量與WS2層數(shù)關(guān)系圖。

       文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器來實現(xiàn)器件在極低溫條件下使用熒光光譜分析二維材料中的范德瓦爾斯界面。文章實驗結(jié)果表明通過合理的選擇二維材料組合成范德瓦爾斯界面，可以設(shè)計出具有很寬廣發(fā)光范圍的光電器件。

圖4：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高分辨率與長時間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素。

attoDRY2100+CFM I主要技術(shù)特點：

+ 應(yīng)用范圍廣泛:  PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫范圍：1.8K - 300K

+ 空間分辨率：< 1 mm

+ 無液氦閉環(huán)恒溫器

+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細(xì)定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細(xì)掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進(jìn)行電學(xué)測量，配備標(biāo)準(zhǔn)chip carrier

+ 可升級到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻(xiàn)：

[1]. Nicolas Ubrig? et al, Design of van der Waals interfaces for broad spectrum optoelectronics, Nature Materials,19,299–304 (2020) 

    在鋰離子電池中，過渡族金屬化合物材料反常的超出理論極限的額外容量現(xiàn)象引發(fā)了人們的廣泛關(guān)注。為了揭示這一關(guān)鍵科學(xué)問題，多位國際能源領(lǐng)域權(quán)威專家都對該現(xiàn)象提出了不同的理論解釋，如電極表面電解質(zhì)衍生層的形成與分解、含鋰物質(zhì)的氧化反應(yīng)、空間電荷存儲等。然而由于電極材料界面處的復(fù)雜性超出常規(guī)設(shè)備的測試能力，其蘊藏的儲能機制始終處于爭議中。

    近期，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李強、李洪森教授與加拿大滑鐵盧大學(xué)苗國興教授、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授等人通力合作，利用自主構(gòu)建的原位磁性監(jiān)測技術(shù)（如圖1所示），結(jié)合自旋電子學(xué)理論揭示了過渡族金屬化合物Fe3O4的額外容量主要來源于過渡族金屬Fe納米顆粒表面的自旋極化電容，并證明這種空間電荷儲鋰電容廣泛存在于各種過渡族金屬化合物中，費米面處3d電子高電子態(tài)密度發(fā)揮了關(guān)鍵作用（如圖2所示）。該研究結(jié)論突破了人們對傳統(tǒng)鋰離子電池儲能方式（Insertion、Alloying、Conversion）的認(rèn)知，首次在實驗上直觀地證實了空間電荷存儲機制，并進(jìn)一步明確了電子存儲位置。該工作已于近期發(fā)表在DJ期刊《Nature Materials》[1]。

精彩圖文展示：

圖1 原位觀測Fe3O4鋰離子電池材料在充放電過程中的磁響應(yīng)，其中上圖為磁化強度變化，下圖為恒流充放電曲線。磁性測試出乎意料的發(fā)現(xiàn)在于，當(dāng)電壓由0.45 V降低到0.01 V時，電極磁化強度緩慢降低直至放電結(jié)束。這一發(fā)現(xiàn)表明還原產(chǎn)物金屬Fe顆粒可以繼續(xù)參與反應(yīng)，這與經(jīng)典的鋰電池轉(zhuǎn)化反應(yīng)相矛盾。有趣的是，隨后充電到1.4 V時，體系磁化強度再一次增大。

圖2. 自旋極化電子在Fe0/Li2O界面的表面電容示意圖（EF，費米能）。a、鐵磁性金屬顆粒表面（放電前后）的自旋極化態(tài)密度示意圖。b、自旋極化電容模型中額外存儲鋰形成的空間電荷區(qū)。放電過程中還原出的Fe0納米顆粒分布在Li2O介質(zhì)中，具有大的表面/塊體比率且費米面處具有高的電子態(tài)密度。大量的電子可以存儲在Fe0納米顆粒中的自旋劈裂能帶中，從而產(chǎn)生自旋極化電容。

    值得注意的是，本文使用的樣品桿是研究人員經(jīng)過多年努力自主設(shè)計的，他們將電化學(xué)工作站與綜合物性測試系統(tǒng)（PPMS）中的振動樣品磁強計選件（VSM）進(jìn)行了有效結(jié)合，成功地構(gòu)建了鋰離子電池原位磁性測試系統(tǒng)來觀察鋰電池充放電過程中的磁響應(yīng)。文中所使用的PPMS系統(tǒng)具有高靈敏度磁性測試等優(yōu)勢，可作為研究能源材料原子尺度臨近范圍內(nèi)的原子探針，是研究雜質(zhì)相和局部電子分布的全新“利器”，獲取其他傳統(tǒng)技術(shù)所不能測得的信息。

圖3 PPMS Dynacool系統(tǒng)示意圖

    基于該測試系統(tǒng)，本文研究者破解了多年爭議，首次在實驗中揭示了電池容量會超過理論極限的關(guān)鍵問題，不僅為設(shè)計下一代高性能儲能器件提供了新方向，也為能源材料的設(shè)計制備提供了一種有力的測試分析技術(shù)。

    在這里我們恭喜我們的PPMS用戶取得了新的突破，也祝愿他們科研事業(yè)更上一層樓！

參考文獻(xiàn)：

[1] Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry, Nature Materials, 2020, https://doi.org/10.1038/s41563-020-0756-y

德國慕尼黑理工大學(xué)和心血管研究ZX科學(xué)家，利用Wes全自動定量western blot技術(shù)，在Nature Medicine（IF: 30.641）發(fā)表文章：Somatic gene editing ameliorates skeletal and cardiac muscle failure in pig and human models of Duchenne muscular dystrophy, Nat Med. 2020 Feb;26(2):207-214.闡述其基于基因編輯技術(shù)開發(fā)杜氏肌營養(yǎng)不良基因ZL方法。

--研究背景--

杜氏肌營養(yǎng)不良（Duchenne muscular dystrophy, DMD）：是一種X染色體隱性遺傳疾病，主要發(fā)生于男孩。據(jù)統(tǒng)計，平均每3500個新生男 嬰中就有一人罹患此病?；颊咭话阍?-5歲開始發(fā)病，Z早表現(xiàn)出進(jìn)行性腿部肌無力(爬樓梯困難)，導(dǎo)致不便行走。12歲時失去行走能力，常年與輪椅為伴，20歲-30歲因呼吸衰竭而死亡。

抗肌萎縮蛋白（Dystrophin）：由X染色體短臂Xp21基因編碼，分布于骨骼肌和心肌細(xì)胞膜的質(zhì)膜面，起細(xì)胞支架作用，維持肌纖維完整性和抗?fàn)坷δ?。由于基因變異引起的Dystrophin缺乏是進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良的主要病因。

--研究內(nèi)容--

編碼抗肌萎縮蛋白（Dystrophin）的基因產(chǎn)生移碼突變會導(dǎo)致杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD），從而導(dǎo)致患者出現(xiàn)終末肌肉和心力衰竭。通過序列特異性核酸酶進(jìn)行的體細(xì)胞基因編輯為恢復(fù)DMD閱讀框提供了新的選擇，表達(dá)縮短的但功能強的抗肌萎縮蛋白。本文在缺少DMD外顯子52（DMDΔ52）的DMD豬模型以及相應(yīng)的患者誘發(fā)的多能干細(xì)胞模型中驗證了這種方法。在DMDΔ52豬中，肌內(nèi)注射腺相關(guān)病毒載體（AAV9），該載體攜帶intein-split Cas9和一對靶向于外顯子51（AAV9-Cas9-gE51）的導(dǎo)向RNA，誘導(dǎo)了縮短的抗肌萎縮蛋白（DMDΔ51-52）的表達(dá)，以及改善骨骼肌功能。此外，AAV9-Cas9-gE51的全身應(yīng)用使抗肌萎縮蛋白(DMDΔ51–52)在肌肉（包括隔膜和心臟）中廣泛表達(dá)，延長了存活時間并減少了心律失常的易感性。類似地，在缺乏DMDΔ52的患者的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞來源的成肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞中，AAV6-Cas9-g51介導(dǎo)的外顯子51的切除可恢復(fù)抗肌萎縮蛋白的表達(dá)并減輕骨骼肌肌管的形成，以及異常的心肌Ca²⁺處理和心律失常的易感性。在這些轉(zhuǎn)化模型中，Cas9介導(dǎo)的外顯子切除改善了DMD病理學(xué)的能力，為DMD患者的ZL方法提供了新方向。

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